Entwicklung der Milchstraße

Die Wissenschaftler nehmen an, dass zunächst Dichteschwankungen der Dunklen Materie die ersten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum entstehen ließen. In den sogenannten „Dunklen Halos“ sammelte sich das Gas der „normalen“ Materie und entwickelte sich zu Brutstätten der Sternentstehung. Im Laufe der Zeit entstanden auf diese Weise kleine Protogalaxien.

Entstehung

Wir sind aber noch weit entfernt davon, vollständig zu wissen, wie die Milchstraße entstand und sich entwickelte. Zunächst lag wohl vor über 13 Milliarden Jahren eine formlose Gas- und Staubwolke vor. Nach derzeitigem Wissensstand entsteht daraus eine Spiralgalaxie, wenn das Gas sich zuerst durch Rotation stabilisiert, bevor Gasklumpen zu einzelnen Sternen kontrahieren. Im Laufe der Zeit entwickelte sich so zunächst eine Protogalaxie mit metallarmen Sternen, die schnell ihren Brennstoff verbrauchten und explodierten. Aus dem ausgestoßenen Material ging die nächste Generation von zunehmend metallreicheren Sternen hervor.

Ursprünglich war das frühe Milchstraßensystem von vielen kleineren Begleitern und einer großen Menge unverbrauchtem Gas umgeben. Immer wieder wurden die Protogalaxien, Zwerggalaxien sowie Sternhaufen gravitativ angezogen und kamen mit der sich entwickelnden Milchstraße in Kontakt.

Nach heutigen Erkenntnissen waren es im Laufe der Jahrmilliarden mehrere 100, wenn nicht sogar rund eine Million galaktischer Bausteine, welche zur heutigen Zusammensetzung der Galaxie beitrugen. Ihr Gas löste immer wieder neue Sternentstehungen aus. So wuchs die Milchstraße in einem komplizierten Zusammenspiel von Gravitation und Sternentstehung zu einer großen Spiralgalaxie heran. Nur wenige der galaktischen Objekte haben fossile Spuren hinterlassen, z. B. in Form von Sternbändern (Sternströmen), die sich vor allem in den Randgebieten unserer Galaxis (im Halo) erstrecken. Die meisten der aufgenommenen Sterne haben sich schon so sehr mit den Sternen der Milchstraße vermischt, dass wir sie wohl nicht mehr aufspüren können.

Die Asymmetrie der Milchstraße ist ein weiteres Indiz dafür, dass die Milchstraße aus der Vereinigung kleinerer Einheiten hervorging und durch fortwährendes Einsammeln von intergalaktischem Gas wuchs.

Frühe Entwicklung

In den letzten 10 Milliarden Jahren hat die Milchstraße bis zu fünf größere Verschmelzungen durchgemacht, bevor sie zu der heutigen Spiralgalaxie wurde. Insbesondere die heftige Kollision in ihrer Frühzeit (vor 9 bis 10 Milliarden Jahren) mit einer anderen Galaxie, Gaia-Enceladus (benannt nach dem Sohn der griechischen Göttin Gaia – einem „Giganten“, den sie mit dem Blut des Himmelsgottes Uranus gezeugt hatte), hat sie nachhaltig geprägt. Die Zwerggalaxie war etwa ein Viertel so groß wie die Milchstraße selbst.

Bei der Kollision wurde Gaia-Enceladus auseinandergerissen und anschließend von der Milchstraße „verspeist„. Jede Menge frisches Wasserstoff-Gas und damit Material für neue Sterne gelangte in die junge Galaxie. Es kam zu einem gewaltigen Starburst (Anstieg der Sternentstehung). Computersimulationen deuten darauf hin, dass der Crash die ursprüngliche galaktische Scheibe so stark erschüttert hat, dass sich auch viele Sterne der einverleibten Fremdgalaxie dort angesiedelt haben. Somit hat die Kollision nicht nur den galaktischen Halo mit Sternen aufgefüllt, sondern wohl auch die Bildung der dicken Scheibe angeregt. Spuren der Kollision zeigen sich noch heute, weil sich ihre Sterne (Gaia-Sausage) immer noch anders bewegen als die Sterne der Milchstraße: ungewöhnlich schnell und in die entgegengesetzte Richtung als der Rest.

Wenig später muss es zu einer weiteren Kollision mit einer Zwerggalaxie („Sequoia„) gekommen sein. Viele Wissenschaftler halten es vorläufig für unentschieden, ob Sequoia zusätzlich invadierte oder ein Teil von Gaia-Enceladus war. Einige deuten die beiden Ereignisse als tatsächlich zwei separate, aber vielleicht gemeinsam abgelaufene Kollisionen mit der Milchstraße. Jedenfalls wurde die galaktische Scheibe gewaltig aufgemischt.

Im Lauf der folgenden zwei Milliarden Jahre platteten sich Gas und Sterne aus den dicken Zentralbereichen zu einer dichteren, dünnen Scheibe ab. Die Sternentstehung nahm Fahrt auf: Es bildeten sich spiralförmige Dichtewellen in der galaktischen Scheibe, die nur langsam ihre Position änderten. In diese Bereiche strömten vergleichsweise schnell Gaswolken, die um das Zentrum der Galaxie rotierten. Die Materie verdichtete sich in ihnen – es bildeten sich neue Sterne, die möglicherweise die leuchtenden Spiralarme formten. Nachdem sich die jugendlichen Turbulenzen der Milchstraße beruhigt hatten, wurde ein Gleichgewichtszustand erreicht, bei dem die Entstehung neuer Sterne recht stetig abläuft. Die Phase der stetigen Sternentstehung hält im Großen und Ganzen bis heute an.

Sagittarius

Vor etwa sechs Milliarden Jahren wurde eine weitere Zwerggalaxie, Sagittarius, eingefangen und störte das Gleichgewicht in unserer Galaxie. Bei ihren Umläufen streifte die Zwerggalaxie alle paar hundert Millionen Jahre die Milchstraße. Wirklich kollidiert sind dabei freilich nur Gas- und Staubmassen. Aber jedes Mal riss die Milchstraße eine Spur von Sternen aus der Zwerggalaxie heraus. Die daraus resultierenden Sternströme zogen sich durch den Halo und wanden sich zweimal um die galaktische Scheibe herum. Mit der Zeit vermischten sie sich mit den übrigen Sternen im äußeren Bereich der Milchstraße. Heute verrät nur noch ihre chemische Zusammensetzung die Herkunft.

Die Kollision mit Sagittarius brachte die Gas- und Staubmassen unserer Galaxie durcheinander und wurde so zum Auslöser einer interstellaren Verjüngungskur. Vielleicht wurde erst dadurch die Entwicklung der Spiralarme ausgelöst. Jedenfalls hat die Kollision Einflüsse auf die Bildung der flachen äußeren Scheibe gehabt, aber auch auf die zentrale Balkenstruktur der Milchstraße.

Es muss mindestens drei Karambolagen zwischen unserer Milchstraße und Sagittarius gegeben haben: Vor etwa 5,7 Milliarden Jahren, dann wieder vor etwa 1,9 Milliarden Jahren und zuletzt vor etwa einer Milliarde Jahren durchstieß die Zwerggalaxie die galaktische Ebene. Jede Passage löste eine Phase von überdurchschnittlicher Sternbildung aus. So führte auch die letzte Kollision zu Verwerfungen in der Milchstraße; die durch sie initiierten Sternbildungen halten bis heute an.

Seit Milliarden von Jahren umkreist Sagittarius inzwischen unsere Heimatgalaxie in einem polaren Orbit – bis zu 50 000 Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt. Ohne die periodischen Kollisionen mit ihr würde die Milchstraße gegenwärtig ganz anders aussehen und hätte viel weniger Gestirne. Aus der Länge des Sagittarius-Schweifs können wir schließen, dass dieser seit zwei bis drei Milliarden Jahren besteht. Die Zwerggalaxie ist allerdings heute nur noch ein Schatten seiner selbst und kaum mehr als zusammenhängendes Objekt zu erkennen. In nicht allzu ferner Zukunft wird sie ganz zerrissen sein.

Jüngere Entwicklung der Milchstraße

In den letzten fünf Milliarden Jahren gab es ähnliche Zusammenstöße mit anderen Objekten, deren Sternströme wohl noch die Milchstraße umgeben. Erst eine geringe Anzahl von ihnen wurde bislang entdeckt. Oft sind sie zu leuchtschwach, als dass man sie mit den derzeit verfügbaren Mitteln beobachten könnte. Jedenfalls ist die Milchstraße immer noch von kleineren Satellitengalaxien und Sternhaufen umgeben, an denen ihre Gezeitenkräfte zerren und denen sie Sterne entreißt, wenn sie sich ihr zu sehr nähern. Vermutlich stellen sie aber nur einen winzigen Bruchteil all jener Objekte dar, die in unserer galaktischen Nachbarschaft jemals existiert haben.

Die Prozesse der Sternentstehung, der Kernsynthese und der Sternexplosionen hatten ihr Maximum vor drei bis zwei Milliarden Jahren. Sie laufen heute in der Milchstraße mit geringerer Häufigkeit ab, weil der Gasvorrat langsam immer mehr aufgebraucht wird. Und vermutlich hat unsere Galaxie bereits einen großen Teil des frischen Gases aus ihrer Umgebung aufgesogen.

So beträgt die derzeitige Sternentstehungsrate 1,65 bis 1,9 Sonnenmassen jährlich. Das ist erstaunlich niedrig, vor allem, wenn man bedenkt, dass es immerhin noch rund zehn Milliarden Sonnenmassen an Gas in der Milchstraße gibt. (Astronomen geben die Sternentstehungsrate als Masse an, weil es Sterne sehr unterschiedlicher Größe und Masse gibt – von etwa 0,1 bis über 100 Sonnenmassen.)

Rund 10% des interstellaren Gases befindet sich außerhalb der Scheibe und bewegt sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 400 km/s weit schneller, als es der Rotation der Galaxis entspricht. Die Dynamik dieser Hochgeschwindigkeitswolken verrät, dass unser Milchstraßensystem riesige Mengen Gas ausstößt und anschließend wieder anzieht. Auf diese Weise strömt immer noch permanent sehr viel Gas in unser Sternsystem herein.

Unsere Milchstraße ist also noch keineswegs ausgereift, sondern entwickelt sich unablässig weiter. Innerhalb der kommenden zehn Milliarden Jahre werden weitere Zwerggalaxien mit ihr kollidieren und neue Sternströme bilden, ähnlich jenen, die wir jetzt im Halo sehen. In selteneren Fällen, wie beispielsweise bei der Großen Magellanschen Wolke, verlieren die Satelliten bislang nur ihr Gas, noch nicht ihre Sterne. Der sichtbare Teil der Milchstraße dehnt sich weiter aus, weil sich auch in ihren Außenbezirken noch Sterne bilden und sich neue Sterne in der galaktischen Scheibe allmählich von ihren Entstehungsorten entfernen. Auf diese Weise wird unsere Spiralgalaxie um rund 500 m/s wachsen und in drei Milliarden Jahren wohl etwa 5% größer sein als heute.

REM